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大功率型LED封装技术
发表时间:2014-09-15 17:40:09 | 浏览:651次 | 来源:

 一、引言

  半导体发光二极管简称LED,从上世纪六十年代研制出来并逐步走向市场化,其封装技术也是不断改进和发展。LED 由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装,使得小功率LED 获得广泛的应用。从上世纪九十年代开始,由于LED 外延、芯片技术上的突破,四元系AlGaInP 和GaN 基的LED相继问世,实现了LED 全色化,发光亮度大大提高,并可组合各种颜色和白光。器件输入功率上有很大提高。目前单芯片1W 大功率LED 已产业化并推向市场,台湾国联也已研制出10W 的单芯片大功率LED。这使得超高亮度LED 的应用面不断扩大,首先进入特种照明的市场领域,并向普通照明市场迈进。由于LED 芯片输入功率的不断提高,对这些功率型LED 的封装技术提出了更高的要求。功率型LED 封装技术主要应满足以下二点要求:一是封装结构要有高的取光效率,其二是热阻要尽可能低,这样才能保证功率LED 的光电性能和可靠性。所以本文将重点对功率型LED 的封装技术作介绍和论述。

  二、功率型LED 封装技术现状

  由于功率型LED 的应用面非常广,不同应用场合下对功率LED 的要求不一样。根据功率大小,目前的功率型LED 分为普通功率LED 和W 级功率LED 二种。输入功率小于1W 的LED(几十mW 功率LED除外)为普通功率LED;输入功率等于或大于1W 的LED 为W 级功率LED。而W 级功率LED 常见的有二种结构形式,一种是单芯片W 级功率LED,另一种是多芯片组合的W 级功率LED。

  1.国外功率型LED 封装技术:

  (1)普通功率LED

  根据报导,最早是由HP 公司于1993 年推出“食人鱼”封装结构的LED,称“Super flux LED”,并于1994年推出改进型的“Snap LED”,其外形如图1 所示。它们典型的工作电流,分别为70mA 和150mA,输入功率分别为0.1W 和0.3W。

  Osram 公司推出“Power TOP LED”是采用金属框架的PLCC 封装结构,其外形图如图2 所示。之后其他一些公司推出多种功率LED 的封装结构。其中一种PLCC-4 结构封装形式,其功率约200~300mW,这些结构的热阻一般为75~125℃/W。总之,这些结构的功率LED 比原支架式封装的LED 输入功率提高几倍,热阻下降几倍。

  (2)W 级功率LED

  W 级功率LED 是未来照明的核心部分,所以世界各大公司投入很大力量,对W 级功率封装技术进行研究开发,并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。单芯片W 级功率LED 最早是由Lumileds 公司于1998 年推出的Luxeon LED,其结构如图3 所示,根据报导,该封装结构的特点是采用热电分离的形式,将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上,并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料,提高了器件的取光效率并改善了散热特性。可在较大的电流密度下稳定可靠的工作,并具有比普通LED 低得多的热阻,一般为14~17℃/W,现有1W、3W 和5W的产品。该公司近期还报导[1]推出Luxeon III LED 产品,由于对封装和芯片进行改善,可在更高的驱动电流下工作,在700mA 电流工作50000 小时后仍能保持70%的流明,在1A 电流工作20000 小时能保持50%的流明。

  Osram 公司于2003 年推出单芯片的“Golden Dragon”系列LED[2],如图4 所示,其结构特点是热沉与金属线路板直接接触,具有很好的散热性能,而输入功率可达1W。我国台湾UEC 公司(国联)采用金属键合(Metal Bonding)技术封装的MB 系列大功率LED[3]其特点是用Si 代替GaAs 衬底,散热好,并以金属黏结层作光反射层,提高光输出。现有LED 单芯片面积分别为:0.3×0.3mm2、1×1mm2 和2.5×2.5mm2 的芯片,其输入功率分别有0.3W 、1W 和10W,其中2.5×2.5mm2芯片光通量可达200lm,0.3W 和1W 产品正推向市场。多芯片组合封装的大功率LED,其结构和封装形式较多,这里介绍几种典型的结构封装形式:

  ①美国UOE 公司于2001 年推出多芯片组合封装的Norlux 系列LED[4],其结构是采用六角形铝板作为衬底,如图5 所示,铝层导热好,中央发光区部分可装配40 只芯片,封装可为单色或多色组合,也可根据实际需求布置芯片数和金线焊接方式,该封装的大功率LED 其光通量效率为20lm/W,发光通量为100lm。

  ②Lanina Ceramics 公司于2003 年推出采用公司独有的金属基板上低温烧结陶瓷(LTCC-M)技术封装的大功率LED 阵列[5],有二种产品:一种为7 元LED 阵列,光通量为840lm,功率为21W。另一种是134 元LED 阵列,光通量为360lm,功率134W。由于LTCC-M 技术是将LED 芯片直接连接到密封阵列配置的封装盒上,因此工作温度可达250℃。

  ③松下公司于2003 年推出由64 只芯片组合封装的大功率白光LED[6],光通量可达120lm,采用散热性能优良的衬底,把这些芯片封装在2cm2 的面积中,其驱动电流可达8W,这种封装中每1W 输入功率其温升仅为1.2℃。

  ④日亚公司于2003 年推出号称是全世界最亮的白光LED,其光通量可达600lm,输出光束为1000lm时,耗电量为30W,最大输入功率为50W,提供展览的白光LED 模块发光效率达33lm/W。有关多芯片组合的大功率LED,许多公司根据实际市场需求,不断开发很多新结构封装的新产品,其开发研制的速度是非常快。

  2.国内功率型LED 封装技术

  国内LED 普通产品的后工序封装能力应该是很强的,封装产品的品种较齐全,据初步估计,全国LED 封装厂超过200 家,封装能力超过200 亿只/年,封装的配套能力也是很强的,但是很多封装厂为私营企业,目前来看规模偏小。

  国内功率型LED 的封装,早在上世纪九十年代就开始,一些有实力的后封装企业,当时就开始开发并批量生产,如“食人鱼”功率型LED。国内的大学、研究所很少对大功率LED 封装技术开展研究,信息产业部第13 研究所对功率型LED 封装技术开展研究工作,并取得很好的研究成果,具体开发出功率LED 产品。

  国内有实力的LED 封装企业(外商投资除外),如佛山国星、厦门华联等几个企业,很早就开展功率型LED的研发工作,并取得较好的效果。如“食人鱼”和PLCC 封装结构的产品,均可批量生产,并已研制出单芯片1W 级的大功率LED 封装的样品。而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED 研制开发,并可提供部分样品供试用。对大功率LED 封装技术的研究开发,目前国家尚未正式支持投入,国内研究单位很少介入,封装企业投入研发的力度(人力和财力)还很不够,形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面,其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。




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